專利名稱：基于moems的變焦和調(diào)焦系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于MOEMS的變焦和調(diào)焦系統(tǒng)，尤其是用于目標(biāo)探測中的變 焦方法和變焦裝置。
背景技術(shù)：
為了獲取清晰的成像效果，要求光學(xué)組件具備良好的快速變焦能力。傳統(tǒng)的 變焦系統(tǒng)是通過改變光學(xué)系統(tǒng)組元之間的間隔和結(jié)構(gòu)替換的方式來改變光學(xué)系 統(tǒng)的有效焦距和系統(tǒng)的視場角；其中光學(xué)系統(tǒng)運動組元筒凸輪的機(jī)械運動，通 常由電機(jī)和齒輪傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動，實現(xiàn)變焦和調(diào)焦功能，響應(yīng)時間需要幾百毫秒； 采用結(jié)構(gòu)替換形式來實現(xiàn)變焦的系統(tǒng)，則需采用復(fù)雜的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出機(jī)械結(jié)構(gòu)。而 且尺寸過大不利于安裝在小型空間探測器中。本系統(tǒng)釆用基于MOEMS (Micro-opto-electromechanical systems)器件可變形鏡來提供變焦和調(diào)焦功能， 減小系統(tǒng)體積，取消了一些響應(yīng)時間常數(shù)較大的機(jī)械傳動件，使整個系統(tǒng)動態(tài) 響應(yīng)性能大大提高，反應(yīng)快捷，所采用的基于MOEMS可變形鏡可以達(dá)到 lms 的響應(yīng)時間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種快速高效的微型自動化變焦和調(diào)焦系 統(tǒng)，能夠滿足空間探測器上對自動變焦和調(diào)焦的需求。
該基于M0EMS的自動變焦和調(diào)焦系統(tǒng)包括第一光學(xué)組、第二光學(xué)組和探測 器；第一光學(xué)組包括第一可變形鏡和第一反射鏡，第二光學(xué)組包括第一正透鏡、 第一負(fù)透鏡、第二正透鏡、第二負(fù)透鏡、第一反射鏡、第三負(fù)透鏡、第二可變 形鏡、第三正透鏡、第四負(fù)透鏡、第四正透鏡、第五負(fù)透鏡，系統(tǒng)從物方到像 方的光學(xué)元件依次為第一光學(xué)組的第一可變形鏡，第一光學(xué)組的第一反射鏡， 第二光學(xué)組的第一正透鏡，第二光學(xué)組的第一負(fù)透鏡，第二光學(xué)組的第二正透 鏡，第二光學(xué)組的第二負(fù)透鏡，第二光學(xué)組的第一反射鏡，第二光學(xué)組的第三 負(fù)透鏡，第二光學(xué)組的第二可變形鏡，第二光學(xué)組的第三正透鏡，第二光學(xué)組 的第四負(fù)透鏡，第二光學(xué)組的第四正透鏡，第二光學(xué)組的第五負(fù)透鏡，其中第
一光學(xué)組的第一可變形鏡的法線與物方入射光線的光軸夾角等于ir，第一光學(xué)
組的第一可變形鏡中心法線與第一光學(xué)組的第一反射鏡法線的夾角等于45。，第 一光學(xué)組的第一反射鏡法線與第二光學(xué)組第一正透鏡光軸的夾角等于56。，第二 光學(xué)組的第一正透鏡光軸和第二光學(xué)組的第一負(fù)透鏡光軸為平行且同心，第二 光學(xué)組的第一負(fù)透鏡光軸和第二光學(xué)組的第二正透鏡光軸為平行且同心，第二 光學(xué)組的第二正透鏡光軸和第二光學(xué)組的第二負(fù)透鏡光軸為平行且同心，第二 光學(xué)組的第二負(fù)透鏡光軸和第二光學(xué)組的第一反射鏡法線夾角等于45。，第二光 學(xué)組的第一反射鏡法線和第二光學(xué)組的第三負(fù)透鏡光軸夾角等于45。，第二光學(xué) 組的第三負(fù)透鏡光軸和第二光學(xué)組的第二可變形鏡中心法線夾角等于45。，第二 光學(xué)組的第二可變形鏡中心法線和第二光學(xué)組的第三正透鏡光軸夾角等于45。， 第二光學(xué)組的第三正透鏡光軸和第二光學(xué)組的第四負(fù)透鏡光軸為平行且同心， 第二光學(xué)組的第四負(fù)透鏡光軸和第二光學(xué)組的第四正透鏡光軸為平行且同心， 第二光學(xué)組的第四正透鏡光軸和第二光學(xué)組的第五負(fù)透鏡光軸為平行且同心， 第二光學(xué)組的第五負(fù)透鏡光軸和探測器中心法線為平行且同心，從物方入射光 線在第一光學(xué)組的第一可變形鏡處被反射，再在第一光學(xué)組的第一反射鏡處反 射，反射的光線進(jìn)入第二光學(xué)組，透射通過第二光學(xué)組第一正透鏡，透射通過 第二光學(xué)組第一負(fù)透鏡，透射通過第二光學(xué)組第二正透鏡，透射通過第二光學(xué) 組第二負(fù)透鏡，在第二光學(xué)組第一反射鏡處被反射，透射通過第二光學(xué)組第三 負(fù)透鏡，在第二光學(xué)組第二可變形鏡處被反射后，透射通過第二光學(xué)組第三正 透鏡，透射通過第二光學(xué)組第四負(fù)透鏡，透射通過第二光學(xué)組第四正透鏡，透 射通過第二光學(xué)組第五負(fù)透鏡，最后到達(dá)探測器； 本發(fā)明的有效效益是
1、 變焦光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧；
2、 變焦光學(xué)系統(tǒng)像差校正良好，系統(tǒng)探測精度高，穩(wěn)定性好。
3、 變焦光學(xué)系統(tǒng)有很大變焦比，目標(biāo)探測范圍可變，可以在較大范圍內(nèi) 尋找目標(biāo)，并實現(xiàn)快速精確定位；


圖1基于MOEMS的變焦和調(diào)焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)其中1-第一光學(xué)組，2-第二光學(xué)組，3-第一可變形鏡，4-第二可變形鏡， 5-變焦結(jié)構(gòu)的第一光學(xué)組的折反射光學(xué)元件或光學(xué)系統(tǒng)，6-變焦結(jié)構(gòu)的第二光學(xué) 組的折反射光學(xué)元件或光學(xué)系統(tǒng)，7-探測器，17-第二光學(xué)組的第一正透鏡，18-第二光學(xué)組的第一負(fù)透鏡，19-第二光學(xué)組的第二正透鏡，20-第二光學(xué)組的第二 負(fù)透鏡，21-第二光學(xué)組的第一反射鏡，22-第二光學(xué)組的第三負(fù)透鏡，23-第二 光學(xué)組的第三正透鏡，24-第二光學(xué)組的第四負(fù)透鏡，25-第二光學(xué)組的第四正透 鏡，26-第二光學(xué)組的第五負(fù)透鏡，27-第一光學(xué)組的反射鏡。
具體實施例方式
本發(fā)明中第一光學(xué)組和第二光學(xué)組的光學(xué)焦距變化，是通過改變第一可變 形鏡3和第二可變形鏡4的曲率半徑實現(xiàn)，如圖1。本發(fā)明中用于目標(biāo)探測的變 焦和調(diào)焦系統(tǒng)，變焦和調(diào)焦過程中兩個光學(xué)組的軸上間隔不變，第一組元和第 二組元內(nèi)部光學(xué)元件之間的間隔不變，第一組元和第二組元的系統(tǒng)焦距可變。 本發(fā)明中物方入射光線按順序分別進(jìn)入第一光學(xué)組1和第二光學(xué)組2，在探測器 7處成像。
本發(fā)明中用于目標(biāo)探測的變焦和調(diào)焦系統(tǒng)，變焦和調(diào)焦過程中兩個光學(xué)組 的軸上間隔不變，第一組元和第二組元內(nèi)部光學(xué)元件之間的間隔不變，第一組 元和/或第二組元的系統(tǒng)焦距可變。
本發(fā)明中所涉及的變焦和調(diào)焦系統(tǒng)采用兩個可變形鏡。
本發(fā)明中第一光學(xué)組和第二光學(xué)組的光學(xué)焦距變化，是通過改變第一可變 形鏡3和第二可變形鏡4的面型實現(xiàn)。
本發(fā)明中所涉及的變焦和調(diào)焦系統(tǒng)采用兩個可變形鏡，其中第一光學(xué)組1 有一個第一可變形鏡3， 一個折反射光學(xué)元件或光學(xué)系統(tǒng)5，第二光學(xué)組2有一 個第二可變形鏡4。
本發(fā)明中所涉及的變焦和調(diào)焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其探測器7在變焦和調(diào)焦過程中 靜止不動，通過控制可變形鏡不同位置上的微鏡位置，可以改變通過它的光波 的波面形狀。在將可變形鏡應(yīng)用于目標(biāo)探測器中，實現(xiàn)變焦和調(diào)焦功能時，光 學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮三個約束。第一個是可變形鏡的口徑和在系統(tǒng)中的位置， 以滿足系統(tǒng)的f/number和尺寸要求?？讖焦怅@在系統(tǒng)不同位置，可變形鏡校正 像差能力有差異，可變形鏡口徑要求也不同，因此需要對孔徑光闌的位置進(jìn)行
優(yōu)化，以達(dá)到最佳系統(tǒng)性能。第二個是可變形鏡的焦距變化范圍，以滿足系統(tǒng)
變焦比。可變形鏡的微鏡移動行程很小(正負(fù)10微米)，所引入焦距變化范圍
有限，需要對焦距變化范圍進(jìn)行設(shè)計，以增大系統(tǒng)變焦比。第三個是可變形鏡 在系統(tǒng)中的位置和光線的入射角，以實現(xiàn)系統(tǒng)像差校正。本發(fā)明對以上約束進(jìn) 行了控制。
變焦范圍為70~300毫米，探測器為1/3英寸CCD，光學(xué)系統(tǒng)在焦距70毫 米時的f/number為4.6，變焦系統(tǒng)在焦距70毫米時觀察角為±2.45°，焦距300 毫米時觀察角為±0.57°。調(diào)焦范圍8米 無窮，無窮距離時可對目標(biāo)定位，可在 8米到無窮遠(yuǎn)范圍內(nèi)運動中觀察目標(biāo)形態(tài)，實時調(diào)整姿態(tài)。
本實施例子中光學(xué)系統(tǒng)可以實現(xiàn)70 300毫米的變焦以及8米 無窮的調(diào)焦， 在70 300毫米的變焦范圍內(nèi)，對光學(xué)系統(tǒng)的像差實現(xiàn)校正。
本實施例子中孔徑光闌位于第一光學(xué)組l，以減小變焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸。實 驗證明，當(dāng)系統(tǒng)f/number不變時，孔徑光闌位于第二光學(xué)組2時，第一光學(xué)組 和第二光學(xué)組中孔徑光闌前的光學(xué)元件直徑是孔徑光闌位于第一光學(xué)組1時的 1.5~2倍。
本實施例子中的基于可變形鏡的變焦和調(diào)焦系統(tǒng)，第一光學(xué)組中反射鏡法 線與光軸夾角^,，第一光學(xué)組中第一可變形鏡的法線與光軸夾角&2，其夾角關(guān) 系為
H45' (2) 本實施例子中可變形鏡微鏡的最大行程為正負(fù)IO微米時，系統(tǒng)的子午面和 弧矢面的光線偏轉(zhuǎn)角度有限，從而保證了系統(tǒng)像差校正，艮P:
6^2<=15° (3) 本實施例子第二光學(xué)組中均有一片反射鏡和一個可變形鏡，其中第二光學(xué) 組的光線，先經(jīng)過第二可變形鏡反射，再經(jīng)第二光學(xué)組的第一反射鏡反射，最 后到達(dá)探測器；利用可變形鏡可實現(xiàn)微量曲率變化進(jìn)而改變系統(tǒng)焦距的特性， 對整體光學(xué)系統(tǒng)中各個元件結(jié)構(gòu)參數(shù)做了合理的設(shè)置、像差平衡和系統(tǒng)優(yōu)化， 使光學(xué)系統(tǒng)變焦比達(dá)到4.3。實施例子1系統(tǒng)焦距70毫米時，第一可變形鏡的 近軸焦距為703.63毫米，第二可變形鏡的近軸焦距為-2294.95毫米，系統(tǒng)焦距 300毫米時，第一可變形鏡的近軸焦距為1288.39毫米，第二可變形鏡的近軸焦 距為-3410.27毫米；實施例子2系統(tǒng)焦距70毫米時，第一可變形鏡的近軸焦距
為703.35毫米，第二可變形鏡的近軸焦距為755.01毫米，系統(tǒng)焦距300毫米時， 第一可變形鏡的近軸焦距為1260.19毫米，第二可變形鏡的近軸焦距為4510.2 毫米，偏置量在商用可變形鏡的參數(shù)范圍內(nèi)。
第一可變形鏡3被確定為孔徑光闌，可變形鏡面型設(shè)為非球面，則可變形 鏡在光學(xué)系統(tǒng)入瞳位置對球差、慧差等系統(tǒng)像差可以實現(xiàn)更好校正。
權(quán)利要求
1.基于MOEMS的自動變焦和調(diào)焦系統(tǒng)，包括第一光學(xué)組、第二光學(xué)組和探測器；第一光學(xué)組包括第一可變形鏡和第一反射鏡，第二光學(xué)組包括第一正透鏡、第一負(fù)透鏡、第二正透鏡、第二負(fù)透鏡、第一反射鏡、第三負(fù)透鏡、第二可變形鏡、第三正透鏡、第四負(fù)透鏡、第四正透鏡、第五負(fù)透鏡，系統(tǒng)從物方到像方的光學(xué)元件依次為第一光學(xué)組的第一可變形鏡，第一光學(xué)組的第一反射鏡，第二光學(xué)組的第一正透鏡，第二光學(xué)組的第一負(fù)透鏡，第二光學(xué)組的第二正透鏡，第二光學(xué)組的第二負(fù)透鏡，第二光學(xué)組的第一反射鏡，第二光學(xué)組的第三負(fù)透鏡，第二光學(xué)組的第二可變形鏡，第二光學(xué)組的第三正透鏡，第二光學(xué)組的第四負(fù)透鏡，第二光學(xué)組的第四正透鏡，第二光學(xué)組的第五負(fù)透鏡，其特征在于第一光學(xué)組的第一可變形鏡的法線與物方入射光線的光軸夾角等于11°，第一光學(xué)組的第一可變形鏡中心法線與第一光學(xué)組的第一反射鏡法線的夾角等于45°，第一光學(xué)組的第一反射鏡法線與第二光學(xué)組第一正透鏡光軸的夾角等于56°，第二光學(xué)組的第一正透鏡光軸和第二光學(xué)組的第一負(fù)透鏡光軸為平行且同心，第二光學(xué)組的第一負(fù)透鏡光軸和第二光學(xué)組的第二正透鏡光軸為平行且同心，第二光學(xué)組的第二正透鏡光軸和第二光學(xué)組的第二負(fù)透鏡光軸為平行且同心，第二光學(xué)組的第二負(fù)透鏡光軸和第二光學(xué)組的第一反射鏡法線夾角等于45°，第二光學(xué)組的第一反射鏡法線和第二光學(xué)組的第三負(fù)透鏡光軸夾角等于45°，第二光學(xué)組的第三負(fù)透鏡光軸和第二光學(xué)組的第二可變形鏡中心法線夾角等于45°，第二光學(xué)組的第二可變形鏡中心法線和第二光學(xué)組的第三正透鏡光軸夾角等于45°，第二光學(xué)組的第三正透鏡光軸和第二光學(xué)組的第四負(fù)透鏡光軸為平行且同心，第二光學(xué)組的第四負(fù)透鏡光軸和第二光學(xué)組的第四正透鏡光軸為平行且同心，第二光學(xué)組的第四正透鏡光軸和第二光學(xué)組的第五負(fù)透鏡光軸為平行且同心，第二光學(xué)組的第五負(fù)透鏡光軸和探測器中心法線為平行且同心，從物方入射光線在第一光學(xué)組的第一可變形鏡處被反射，再在第一光學(xué)組的第一反射鏡處反射，反射的光線進(jìn)入第二光學(xué)組，透射通過第二光學(xué)組第一正透鏡，透射通過第二光學(xué)組第一負(fù)透鏡，透射通過第二光學(xué)組第二正透鏡，透射通過第二光學(xué)組第二負(fù)透鏡，在第二光學(xué)組第一反射鏡處被反射，透射通過第二光學(xué)組第三負(fù)透鏡，在第二光學(xué)組第二可變形鏡處被反射后，透射通過第二光學(xué)組第三正透鏡，透射通過第二光學(xué)組第四負(fù)透鏡，透射通過第二光學(xué)組第四正透鏡，透射通過第二光學(xué)組第五負(fù)透鏡，最后到達(dá)探測器。
全文摘要
本發(fā)明的基于MOEMS的自動變焦和調(diào)焦系統(tǒng)，包括第一光學(xué)組、第二光學(xué)組和探測器；第一光學(xué)組包括第一可變形鏡和第一反射鏡，第二光學(xué)組包括第一正透鏡、第一負(fù)透鏡、第一雙膠合透鏡、第二可變形鏡、第二負(fù)透鏡、第二反射鏡、第二雙膠合透鏡、第二正透鏡、第三負(fù)透鏡，系統(tǒng)從物方到像方的光學(xué)元件依次經(jīng)過上述光學(xué)元件。該變焦光學(xué)系統(tǒng)像差校正良好，系統(tǒng)探測精度高，穩(wěn)定性好。變焦光學(xué)系統(tǒng)有很大變焦比，目標(biāo)探測范圍可變，可以在較大范圍內(nèi)尋找目標(biāo)，并實現(xiàn)快速精確定位。
文檔編號G02B27/00GK101369052SQ20081011943
公開日2009年2月18日 申請日期2008年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月29日
發(fā)明者勇 宋, 程雪岷, 群 郝 申請人:北京理工大學(xué)